首次在宏观尺度揭示量子特性：2025 年诺贝尔物理学奖授予三位科学家，见证量子边界的突破

10 月 7 日消息，瑞典皇家科学院决定将 2025 年物理学诺贝尔奖授予三人，以表彰他们“在电路中发现了宏观量子力学隧穿与能量量子化现象”：

约翰・克拉克（John Clarke），美国加州大学伯克利分校；

米歇尔・H・德沃雷（Michel H. Devoret），美国耶鲁大学及加州大学圣塔芭芭拉分校；

约翰・M・马蒂尼斯（John M. Martinis），美国加州大学圣塔芭芭拉分校。

简单来说，他们通过一系列实验证明，量子世界的奇异特性能够在一个“肉眼可见、握在手中的电路系统”中具象化。

2025 年物理学诺贝尔奖奖金为 1100 万瑞典克朗（注：现汇率约合 835 万元人民币），由获奖者平分。

诺贝尔委员会指出，这三位获奖者的实验在一块芯片上展现了量子物理的实际效应，回答了物理学中的一个重要问题：量子力学效应能否在宏观系统中被观测到？

在具体来讲之前，我们需要先了解到一点 —— 量子力学通常描述的是单个粒子尺度下的物理规律，这些现象被称为“微观”。而由大量粒子组成的“宏观”物体（例如一个篮球）则不表现出可见的量子行为。当球被抛向墙壁时，它会被反弹回来；但在微观世界中，单个粒子可能“穿过墙壁”出现在另一侧，这种现象即为量子隧穿。

也就是说，量子隧穿代表粒子能够“穿过”原本无法跨越的势垒。然而，通常当系统包含大量粒子时，这种量子效应会迅速消失。三位科学家的研究证明，量子特性可以在宏观尺度上被精确呈现。

超导电路中的宏观量子实验

1984 年至 1985 年，克拉克、德沃雷和马蒂尼斯在加州大学伯克利分校共同完成了这一研究。

在约翰・克拉克于加州大学伯克利分校领导的研究小组中，米歇尔・德沃雷以博士后身份加入，约翰・马蒂尼斯则是该团队的博士生。三人共同设计实验，确保系统隔绝外界干扰，并以极高精度测量电流与电压的变化。

他们使用超导材料构建了一种特殊电路，并以极薄的绝缘层将两者隔开，形成所谓“约瑟夫森结”（Josephson junction，该结构能在无电阻状态下导电）。

在实验中，研究人员通过精确控制电路参数，观察到当电流通过时，电荷在整个超导系统中表现得如同一个填满电路的单一“宏观粒子”。

起初，该系统处于“零电压”状态，似乎被困在无法跨越的能量势垒后面。实验显示，该系统可通过量子隧穿跃迁至另一状态，并产生可测的电压信号，从而展示出其量子特征。他们记录系统通过量子隧穿“跃迁”所需的时间，并以统计方式描绘出其分布曲线。

进一步实验表明，当他们向系统输入不同波长的微波时，系统会吸收特定频率的能量并跃迁到更高能级，显示出清晰的能量量子化特征。这一行为与单个粒子在势垒后吸收能量并发生跃迁的模式完全一致。

从原子核到超导体：量子隧穿的延伸

量子隧穿现象最早于 1928 年由物理学家乔治・伽莫夫（George Gamow）提出，用以解释某些重元素的放射性衰变。伽莫夫发现，尽管原子核中存在强大的束缚力，部分粒子仍可通过隧穿效应逸出原子核，从而导致核转变为另一种元素。

在微观粒子世界，隧穿发生的时间具有随机性；通过大量样本的统计，科学家可测得其“半衰期”。但多粒子体系能否同时呈现隧穿行为，长期以来一直是物理学的研究难题。

克拉克等人的研究以超导材料为平台，在极低温下使电子成对结合形成“库珀对”（Cooper pairs）。这些库珀对可作为一个整体波函数描述，表现为单一的量子系统。当两个超导体通过约瑟夫森结连接时，系统两侧的波函数会发生相互作用，从而出现新的量子现象。

百年量子理论的再度突破

诺贝尔物理学委员会主席奥勒・埃里克森（Olle Eriksson）表示：“能够庆祝百年量子力学持续带来新惊喜，令人振奋。量子力学不仅深具科学意义，也是所有数字技术的基础。”

他指出，晶体管等现代计算机微芯片中的元件，本身就是基于量子原理的成熟技术。此次获奖成果为下一代量子技术 —— 包括量子加密、量子计算与量子传感 —— 奠定了重要的实验基础。

该实验不仅深化了人们对量子力学的理解，也为量子技术发展奠定了基础。与以往由微观现象组合形成的宏观结果（如激光、超导或超流体）不同，这项研究直接在宏观系统中展现了量子行为本身。

理论物理学家安东尼・莱格特（Anthony Leggett，2003 年诺贝尔物理学奖得主）将该系统比作“薛定谔的猫”实验：宏观系统虽无法表现“叠加”态，但克拉克团队的实验表明，大量粒子可共同遵循量子规律。

研究人员创造的这种宏观量子态被视为一种“人工原子”，可用于探索微观世界的规律，并成为量子计算与量子传感的实验基础。约翰・马蒂尼斯此后正是基于该能量量子化原理，开发出利用量子比特的超导电路，为未来量子计算机的实现提供了关键技术路径。

获奖者简介：

约翰・克拉克（John Clarke），1942 年生于英国剑桥，1968 年获英国剑桥大学博士学位，现任美国加州大学伯克利分校教授。

米歇尔・H・德沃雷（Michel H. Devoret），1953 年生于法国巴黎，1982 年获法国巴黎南大学博士学位，现任美国耶鲁大学及加州大学圣塔芭芭拉分校教授。

约翰・M・马蒂尼斯（John M. Martinis），1958 年出生，1987 年获美国加州大学伯克利分校博士学位，现任加州大学圣塔芭芭拉分校教授。